FR2907284A1 - COLLECTIVE MANUFACTURING METHOD OF SENSORS WITHOUT CALIBRATION BASED ON ACOUSTIC WAVE DEVICE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication collective de d'un capteur interrogeable à distance et comportant au moins un premier résonateur et un second résonateur, chaque résonateur présentant respectivement une première et une seconde fréquences de fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :- la fabrication d'une première série de premiers résonateurs, lesdits premiers résonateurs comportant chacun une première fréquence de fonctionnement appartenant à un premier ensemble de fréquences centré sur une première fréquence centrale ;- la fabrication d'une seconde série de seconds résonateurs, lesdits seconds résonateurs comportant chacun une seconde fréquence de fonctionnement appartenant à un second ensemble de fréquences centré sur une seconde fréquence centrale ;- une série d'appariements d'un premier résonateur et d'un second résonateur de manière à former des couples de résonateurs présentant une différence de fréquences de fonctionnement égale à la différence des première et seconde fréquences centrales.The invention relates to a method for the collective manufacture of a remote interrogable sensor comprising at least a first resonator and a second resonator, each resonator having respectively a first and a second operating frequency, characterized in that it comprises the following steps: - the manufacture of a first series of first resonators, said first resonators each having a first operating frequency belonging to a first set of frequencies centered on a first central frequency; - the manufacture of a second series of second resonators; said second resonators each having a second operating frequency belonging to a second set of frequencies centered on a second center frequency; - a series of pairings of a first resonator and a second resonator so as to form pairs of resonators. with a difference in fr operating equations equal to the difference of the first and second center frequencies.
Description
1 Procédé de fabrication collective de capteurs sans calibrage à base de1 Method of collective manufacturing of sensors without calibration based on
dispositif à ondes acoustiques Le domaine de l'invention est celui des capteurs passifs interrogeables à distance et notamment des capteurs de température, à base de résonateurs à ondes acoustiques de surface ou de volume. Par exemple, de tels capteurs se composent d'une unité d'interrogation (constituée elle-même d'une partie émettrice et d'une partie réceptrice) et d'un capteur de température à ondes acoustiques de surface désigné couramment sous le nom SAW (acronyme anglais pour surface acoustic wave). Le système d'interrogation ainsi que le capteur SAW sont munis d'une antenne adaptée à la bande de fréquence de travail (bande ISM 433 MHz, 868 MHz, 2.45 GHz,...) ce qui permet d'effectuer une interrogation sans fil du capteur. Le mode d'interrogation est le suivant : L'émetteur du système d'interrogation envoie un signal d'interrogation (impulsion temporelle basse fréquence d'une porteuse dans la bande ISM) vers le capteur SAW. Le dispositif SAW est de type résonateur ce qui permet d'accéder à des structures de taille réduite. Si le signal d'émission présente une fréquence de résonance suffisamment proche de la fréquence propre du résonateur SAW, ce dernier entre en résonance en passant par une période de charge. Il s'établit alors un régime permanent d'oscillation à la fréquence de résonance propre du dispositif SAW. Cette fréquence de résonance est proportionnelle à la vitesse de l'onde de surface dans la cavité résonante qui dépend elle-même de la température à laquelle est le résonateur. Le capteur re-émet un signal à sa fréquence de résonance qui porte l'information liée à la grandeur à mesurer, par exemple la température. Le récepteur du système d'interrogation détecte en dehors de la plage temporelle d'émission tout ou partie du signal SAW (oscillation amortie) et en extrait l'information recherchée, par exemple la température, via un traitement du signal adapté. The field of the invention is that of passive sensors that can be interrogated remotely, and in particular temperature sensors, based on acoustic wave surface or volume resonators. For example, such sensors consist of an interrogation unit (itself consisting of a transmitting part and a receiving part) and a surface acoustic wave temperature sensor commonly referred to as SAW. (Acronym for surface acoustic wave). The interrogation system and the SAW sensor are equipped with an antenna adapted to the working frequency band (433 MHz ISM band, 868 MHz, 2.45 GHz, ...) which allows a wireless interrogation of the sensor. The interrogation mode is as follows: The interrogation system transmitter sends an interrogation signal (low frequency time pulse of a carrier in the ISM band) to the SAW sensor. The SAW device is of resonator type which allows access to structures of reduced size. If the emission signal has a resonant frequency sufficiently close to the natural frequency of the SAW resonator, it resonates through a charging period. A steady state of oscillation is then established at the resonance frequency of the SAW device. This resonant frequency is proportional to the speed of the surface wave in the resonant cavity which itself depends on the temperature at which the resonator is. The sensor re-transmits a signal at its resonant frequency which carries the information related to the quantity to be measured, for example the temperature. The interrogation system receiver detects all or part of the SAW (damped oscillation) signal outside the transmission time range and extracts the desired information, for example the temperature, via a suitable signal processing.
Typiquement, le résonateur est composé d'un transducteur à peignes inter-digités, constitué d'une alternance d'électrodes de largeurs qui se répètent avec une certaine périodicité appelée période de métallisation 2907284 2 déposée sur un substrat piézoélectrique pouvant avantageusement être du quartz. Les électrodes, avantageusement en aluminium (réalisées par un procédé de photolithographie) présentent une faible épaisseur devant la période de métallisation (typiquement, quelques centaines de nanomètres à 5 quelques micromètres). Par exemple pour un capteur fonctionnant à 433 MHz, l'épaisseur de métal (aluminium) utilisée peut être de l'ordre de 1000 Angstrôms, la période de métallisation et la largeur d'électrode pouvant être respectivement de l'ordre de 3.5 pm et 2.5 pm. Un des ports du transducteur est par exemple relié à une antenne 10 RadioFréquence (RF) et l'autre à la masse. Les lignes de champ ainsi créées entre deux électrodes de polarités différentes donnent naissance à des ondes acoustiques de surface dans la zone de recouvrement des électrodes. Le transducteur est une structure bi-directionnelle c'est à dire que l'énergie rayonnée vers la droite et l'énergie rayonnée vers la gauche ont la 15 même intensité. En disposant de part et d'autre du transducteur des électrodes, celles-ci jouant le rôle de réflecteur, on réalise un résonateur, chaque réflecteur réfléchissant partiellement l'énergie émise par le transducteur. Si l'on multiplie le nombre de réflecteurs, on crée une cavité 20 résonante caractérisée par une certaine fréquence de résonance. Cette fréquence dépend en premier lieu de la vitesse de propagation des ondes sous le réseau, celle-ci dépendant principalement de l'état physique du substrat, et donc sensible par exemple à la température. Dans ce cas, c'est le paramètre qui est mesuré par le système d'interrogation et c'est à partir de 25 cette mesure qu'une température peut être calculée. On rappelle que la variation de la fréquence de résonance d'un résonateur sur quartz est déterminée par la formule suivante : f(T) = fo [1 + CTF1 (T-To) + CTF2 (T-To)2] (1) 30 avec f0 la fréquence à TO, TO la température de référence (25 C par convention), CTF1 le coefficient du premier ordre (ppm/ C) et CTF2 le coefficient du second ordre (ppb/ CZ). On peut également, reformuler cette loi en faisant apparaître une température d'inversion de la loi (1), dite de turn-over : f (T) = fTt + fo CTF2 (T-T tum-over) 2 (2) 2907284 3 avec fTt la fréquence à la température de turn-over et T turn-over la température de turn-over Ces grandeurs sont données par les équations suivantes : T turn-over = T0- CTF1 /2CTF2 5 fTt=fo[ 1- CTF12 / 4CTF2 ] (3) La loi de variation de la fréquence de résonance en fonction de la température est donc une parabole ; la température à laquelle la fréquence est maximum (sommet de la parabole) est appelée température de turn over. Typically, the resonator is composed of an interdigitated comb transducer consisting of an alternation of electrodes of widths which are repeated with a certain periodicity called the metallization period 2907284 2 deposited on a piezoelectric substrate which may advantageously be quartz. The electrodes, advantageously aluminum (made by a photolithography process) have a small thickness in front of the metallization period (typically, a few hundred nanometers to a few micrometers). For example, for a sensor operating at 433 MHz, the metal (aluminum) thickness used may be of the order of 1000 Angstroms, the metallization period and the electrode width being respectively of the order of 3.5 μm and 2.5 pm. One of the ports of the transducer is for example connected to an antenna 10 Radio Frequency (RF) and the other to ground. The field lines thus created between two electrodes of different polarities give rise to surface acoustic waves in the area of overlap of the electrodes. The transducer is a bi-directional structure that is to say that the energy radiated to the right and the energy radiated to the left have the same intensity. By arranging the electrodes on either side of the transducer, the latter acting as a reflector, a resonator is produced, each reflector partially reflecting the energy emitted by the transducer. By multiplying the number of reflectors, a resonant cavity characterized by a certain resonant frequency is created. This frequency depends primarily on the speed of propagation of the waves under the network, the latter depending mainly on the physical state of the substrate, and therefore sensitive for example to temperature. In this case, it is the parameter that is measured by the interrogation system and it is from this measurement that a temperature can be calculated. It is recalled that the variation of the resonance frequency of a quartz resonator is determined by the following formula: f (T) = fo [1 + CTF1 (T-To) + CTF2 (T-To) 2] (1) With f0 the frequency at TO, TO the reference temperature (25 C by convention), CTF1 the first order coefficient (ppm / C) and CTF2 the second order coefficient (ppb / CZ). It is also possible to reformulate this law by revealing a reversal temperature of the law (1), called turn-over: f (T) = fTt + fo CTF2 (TT tum-over) 2 (2) 2907284 3 with fTt the frequency at the turn-over temperature and T turn-over the turn-over temperature These quantities are given by the following equations: T turn-over = T0-CTF1 / 2CTF2 5 fTt = fo [1- CTF12 / 4CTF2 ] (3) The law of variation of the resonance frequency as a function of temperature is therefore a parabola; the temperature at which the frequency is maximum (top of the parabola) is called the turn-over temperature.
10 II peut être particulièrement intéressant d'utiliser deux résonateurs SAW (W. Buff et al., "Universal pressure and temperature SAW sensor for wireless applications" 1997 IEEE Ultra. Symp. Proc.), inclinés l'un par rapport à l'autre comme illustré en figure 1. Dans ce cas, un premier résonateur RI pour lequel la direction de propagation des ondes de surface est selon une 15 direction X correspondant à un des axes cristallographiques du substrat cristallin, est couplé à un second résonateur R2, incliné d'un certain angle a (pouvant typiquement être de l'ordre de 20 ) par rapport à l'axe X, et utilisant donc une autre direction de propagation. En inclinant le second résonateur par rapport au premier 20 résonateur, on lui confère une sensibilité différente vis à vis de la température. La figure 2 illustre un tel comportement en présentant une occupation spectrale typique du capteur de température SAW (fréquence en MHz en fonction de la température en C). Dans l'exemple choisi, les premier et second résonateurs ont 25 respectivement une température de turn over aux alentours de 150 C et de 40 C. L'espace entre les 2 courbes inférieures et les 2 courbes supérieures correspond à la dispersion de fabrication de l'ordre de 250 kHz pour cet exemple. Le fait d'utiliser une structure différentielle présente plusieurs 30 avantages. Le premier est que la différence de fréquence des résonateurs est presque linéaire en fonction de la température et les non-linéarités résiduelles sont corrigées par le calibrage du capteur. L'autre avantage de la structure différentielle réside dans le fait que l'on peut s'affranchir de la majeure partie des effets de vieillissement.It may be of particular interest to use two SAW resonators (W. Buff et al., "Universal pressure and temperature SAW sensor for wireless applications" (1997 IEEE Ultra, Symp., Proc.), Inclined relative to one another. As illustrated in FIG. 1. In this case, a first resonator R1 for which the propagation direction of the surface waves is in a direction X corresponding to one of the crystallographic axes of the crystalline substrate, is coupled to a second resonator R2, inclined a certain angle α (typically being of the order of 20) relative to the axis X, and thus using another direction of propagation. By tilting the second resonator with respect to the first resonator, it is given a different sensitivity with respect to the temperature. FIG. 2 illustrates such behavior by presenting a spectral occupation typical of the SAW temperature sensor (frequency in MHz as a function of the temperature in C). In the example chosen, the first and second resonators respectively have a turn-over temperature of around 150 ° C. and 40 ° C. The space between the two lower curves and the two upper curves corresponds to the manufacturing dispersion of the 250 kHz order for this example. Using a differential structure has several advantages. The first is that the frequency difference of the resonators is almost linear as a function of the temperature and the residual non-linearities are corrected by the calibration of the sensor. The other advantage of the differential structure lies in the fact that most of the aging effects can be dispensed with.
35 2907284 4 De manière générale, le capteur de température utilise deux résonateurs R1 et R2 possédant deux directions de propagation différentes. Les fréquences des deux résonateurs R1 et R2 5 s'écrivent conformément à l'équation (1) : f1 =f1o[1 +c1 (41)6+c2(y1)e2] (4) f2=f20[1 +c1 42)e+c242)82] avec 8 =T-To l'écart à la température ambiante, c1 et c2 les coefficients CTF1 10 et CTF2 et q.' l'angle de propagation. La différence entre les fréquences des résonateurs R1 et R2 donne : Af = f 10 - f 20 + 8 (f 10 c1 (4p1) - f 20 Cl ('P2)) + 8 2 (f 10 c2 (IPI) - f 20 C2 ('P2)) On peut réécrire l'équation du second ordre en 8 sous la forme : 15 Af=A0+se+Ee2 (5) avec : Af = f1 ù f2 Ao = fio û f2o s = fioc1(Y1) ù f2oc1(P2) (6) 20 c=f10 c2(4J1)-f20 C2 (4j2) où : - s représente la sensibilité à la température au premier ordre - c le coefficient du terme d'ordre deux 25 - Af la différence des fréquences à la température A (différence lue à l'interrogation) - A0 la différence des fréquences nominales à la température ambiante To La procédure de calibrage a pour but de déterminer les trois termes : A0, s et c afin de pouvoir calculer a posteriori la température à 30 partir d'une mesure de la différence de fréquence Af. En effet, la résolution de l'équation du second degré en 8 nous donne : T = To + [-s + (s2 ù 4c(Ao ù Af) ) 12 ] / 2E (7) Afin de faciliter l'étape d'extraction de la température à partir d'une 35 mesure de différence de fréquence de résonance, on définit trois coefficients 2907284 5 de calibrage ao, al, a2 qui permettent de calculer la fréquence à l'aide de l'équation (8) : T=ao+(a,+a2Af)'r2 (8) 5 Le calibrage est une opération consistant à déterminer les coefficients ao, al et a2 ; cette opération est néanmoins coûteuse en temps puisqu'elle nécessite de mesurer pour chaque capteur la différence de fréquence entre les deux résonateurs à trois températures différentes au minimum et nécessite de plus une sérialisation de chaque capteur 10 (correspondant à l'identification pour chaque capteur d'un couple capteur û coefficients de calibrage). On peut par exemple envisager de stocker les coefficients de calibrage ao, al, a2 dans le système d'interrogation. Cette configuration nécessite en cas de changement de capteur de stocker les nouveaux 15 coefficients dans le système d'interrogation. L'ensemble de ces contraintes est rédhibitoire dans certains cas où des objectifs de faibles coûts doivent être atteints. De manière générale, l'erreur sur l'évaluation de la température de mesurée avec un capteur SAW à deux résonateurs est donnée au premier 20 ordre par l'équation suivante : de=(dei+dLo)/Se +e dSe/Se (9) où dAI est la précision de lecture de la fréquence au niveau système 25 d'interrogation - dAo est la dispersion de la différence de fréquence entre les 2 résonateurs à la température To Se est la sensibilité typique du capteur (kHz/ C) dSe est la dispersion de sensibilité d'un capteur à l'autre 30 e est l'écart de température par rapport à To Si l'on estime l'erreur d8 pour une température donnée To + e sur la base des valeurs typiques des paramètres &A,, dLo,Se et dS8, on obtient une valeur inacceptable (vis à vis des exigences des applications) qui rend 35 incontournable l'opération de calibrage.In general, the temperature sensor uses two resonators R1 and R2 having two different propagation directions. The frequencies of the two resonators R1 and R2 5 are written according to equation (1): f1 = f1o [1 + c1 (41) 6 + c2 (y1) e2] (4) f2 = f20 [1 + c1 42 e + c242) 82] with 8 = T-T0 the difference at room temperature, c1 and c2 the coefficients CTF1 10 and CTF2 and q. ' the angle of propagation. The difference between the frequencies of the resonators R1 and R2 gives: ## EQU1 ## C2 ('P2)) The second-order equation can be rewritten at 8 as: Af = A0 + se + Ee2 (5) with: Af = f1 f2 Ao = fio-f2o s = fioc1 (Y1) ## EQU1 ## where: - s represents the first order temperature sensitivity - c the second order term coefficient 25 - Af the difference frequencies at temperature A (difference read at interrogation) - A0 unlike nominal frequencies at room temperature To The aim of the calibration procedure is to determine the three terms: A0, s and c in order to be able to calculate a posteriori the temperature from a measurement of the frequency difference Δf. Indeed, the resolution of the equation of the second degree in 8 gives us: T = To + [-s + (s2 ù 4c (Ao ù Af)) 12] / 2E (7) In order to facilitate the step of extracting the temperature from a resonance frequency difference measurement, three calibration coefficients ao, a1, a2 are defined that make it possible to calculate the frequency using equation (8): T = ao + (a, + a2Af) 'r2 (8) Calibration is an operation of determining the coefficients ao, a1 and a2; this operation is nevertheless costly in time because it requires measuring for each sensor the difference in frequency between the two resonators at least three different temperatures and further requires a serialization of each sensor 10 (corresponding to the identification for each sensor d a sensor torque - calibration coefficients). For example, it is possible to store the calibration coefficients a0, a1, a2 in the interrogation system. This configuration requires, in the event of a sensor change, to store the new coefficients in the interrogation system. All of these constraints are unacceptable in certain cases where low-cost objectives must be achieved. In general, the error on the evaluation of the temperature of measurement with a SAW sensor with two resonators is given in the first order by the following equation: = (dei + dLo) / Se + e dSe / Se ( 9) where dAI is the reading precision of the frequency at interrogation system level - dAo is the dispersion of the frequency difference between the two resonators at the temperature To Se is the typical sensitivity of the sensor (kHz / C) dSe is the sensitivity dispersion from one sensor to the other 30 e is the temperature difference from To If we estimate the error d8 for a given temperature To + e on the basis of the typical values of the parameters & A ,, dLo, Se and dS8, one obtains an unacceptable value (with respect to the requirements of the applications) which renders the calibration operation indispensable.
2907284 6 La plus forte contribution (supérieure à 80%) est liée à la dispersion sur la différence de fréquence. On désigne par puces les éléments obtenus après découpe du 5 substrat sur lequel sont réalisés les dispositifs à ondes de surface et portant indifféremment un résonateur unique ou un ensemble de résonateurs réalisant la fonction de capteur. Il a déjà été envisagé de diminuer la dispersion sur la variation de fréquence, en calant chacun des résonateurs par gravure du quartz, de l'aluminium ou par gravure de la silice (couche de 10 passivation). Cette méthode nécessite le développement d'un procédé spécifique puisque qu'il faut ajuster la fréquence des deux résonateurs sur la même puce d'une façon indépendante. Les précisions de gravure doivent par ailleurs être très élevées afin de répondre aux exigences de dispersion de fréquence (typiquement : +1- 5 kHz soit une maîtrise de l'ordre de +1- 1 15 Angstrôm ce qui est un objectif difficile à atteindre). Dans ce contexte, la présente invention propose un procédé de fabrication collective permettant d'obtenir des capteurs à ondes acoustiques de manière optimisée sans opération de calibrage.2907284 6 Highest contribution (greater than 80%) is related to dispersion on frequency difference. The term "chips" refers to the elements obtained after cutting the substrate on which the surface wave devices are made and which indifferently carry a single resonator or a set of resonators carrying out the sensor function. It has already been envisaged to reduce the dispersion on the frequency variation by setting each of the resonators by etching quartz, aluminum or by etching the silica (passivation layer). This method requires the development of a specific process since it is necessary to adjust the frequency of the two resonators on the same chip independently. The etching precision must also be very high in order to meet the requirements of frequency dispersion (typically: + 1- 5 kHz, ie a control of the order of +/- 1 15 Angstrom, which is a difficult objective to achieve) . In this context, the present invention provides a collective manufacturing method for obtaining acoustic wave sensors in an optimized manner without calibration operation.
20 Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de fabrication collective de capteurs interrogeables à distance, chaque capteur comportant au moins un premier résonateur et un second résonateur, chaque résonateur comportant des transducteurs à ondes acoustiques de conception telle qu'ils présentent respectivement une première et une seconde fréquences de 25 fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - la fabrication d'une première série de premiers résonateurs, lesdits premiers résonateurs comportant chacun une première fréquence de fonctionnement appartenant à un premier ensemble de fréquences centré sur une première fréquence 30 centrale; - la fabrication d'une seconde série de seconds résonateurs, lesdits seconds résonateurs comportant chacun une seconde fréquence de fonctionnement appartenant à un second ensemble de fréquences centré sur une seconde fréquence 35 centrale; 2907284 7 - une série d'appariements d'un premier résonateur et d'un second résonateur de manière à former des couples de résonateurs présentant une différence de fréquences de fonctionnement égale à la différence des première et seconde fréquences centrales. Selon une variante de l'invention, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : la fabrication de premiers résonateurs sur un premier substrat intermédiaire et la fabrication de seconds résonateurs sur un second substrat intermédiaire ; - des découpes unitaires de premières et de secondes puces comportant respectivement les premiers et seconds résonateurs à partir des premier et second substrats intermédiaires ; l'appariement d'une première et d'une seconde puces ; l'assemblage des paires de puces dans un boîtier. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend : la fabrication de premiers résonateurs sur un premier substrat intermédiaire et la fabrication de seconds résonateurs sur un second substrat intermédiaire ; des découpes unitaires de premières et de secondes puces comportant respectivement les premiers et seconds résonateurs à partir des substrats intermédiaires ; l'assemblage des premières puces et des secondes puces dans 25 des boîtiers individuels ; -l'appariement d'une première et d'une seconde puces mises au préalable en boîtier. Selon une variante de l'invention, l'étape d'appariement est effectuée sur la base de la mesure des fréquences de résonance.More specifically, the subject of the invention is a method for the collective fabrication of remotely interrogable sensors, each sensor comprising at least a first resonator and a second resonator, each resonator comprising acoustic wave transducers of design such that they respectively have a first and second frequencies of operation, characterized in that it comprises the following steps: - the manufacture of a first series of first resonators, said first resonators each having a first operating frequency belonging to a first set of centered frequencies on a first central frequency; the manufacture of a second series of second resonators, said second resonators each comprising a second operating frequency belonging to a second set of frequencies centered on a second central frequency; - a series of pairings of a first resonator and a second resonator so as to form pairs of resonators having an operating frequency difference equal to the difference of the first and second center frequencies. According to a variant of the invention, the manufacturing method comprises the following steps: the manufacture of first resonators on a first intermediate substrate and the manufacture of second resonators on a second intermediate substrate; unit cuts of first and second chips respectively comprising the first and second resonators from the first and second intermediate substrates; pairing first and second chips; the assembly of pairs of chips in a housing. According to a variant of the invention, the method comprises: manufacturing first resonators on a first intermediate substrate and manufacturing second resonators on a second intermediate substrate; unit cuts of first and second chips respectively comprising the first and second resonators from the intermediate substrates; assembling the first chips and the second chips into individual packages; the pairing of a first and a second chip previously put in a box. According to a variant of the invention, the pairing step is performed on the basis of the measurement of the resonant frequencies.
30 Selon une variante de l'invention, le procédé de fabrication comprend en outre une étape préalable de stabilisation en température des premiers et seconds résonateurs. Selon une variante de l'invention, les résonateurs sont réalisés sur un substrat intermédiaire piézoélectrique pouvant typiquement être du 35 quartz, ou tout autre matériau tels que LiNbO3, LiTaO3, la langasite et ses 5 10 15 20 2907284 8 variantes, le GaPO4, le tétraborate de lithium, le KNbO3, enfin de façon générique tout substrat piézoélectrique susceptible de présenter des coupes compensées et non compensées des effets à mesurer. Avantageusement le procédé de fabrication de l'invention permet 5 d'élaborer des capteurs de température interrogeables à distance. Selon une variante de l'invention, les premiers résonateurs sont orientés sur le premier substrat intermédiaire selon une première direction, les seconds résonateurs sont orientés sur le second substrat intermédiaire selon une seconde direction, lesdites directions correspondant aux directions 10 de propagation des ondes de surface, et ce de manière à ce que la première direction fasse un angle non nul avec la seconde direction. Une solution alternative consiste à utiliser une coupe de quartz différente et le même angle de propagation pour chaque résonateur. On peut enfin utiliser des coupes et directions de propagation différentes pour tirer 15 parti des propriétés particulières de certaines orientations aptes à minimiser la sensibilité des caractéristiques thermiques de la fréquence à ces paramètres géométriques. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un exemple de couple de résonateurs utilisés dans un capteur de température selon l'art connu ; la figure 2 illustre les dispersions en fréquences de résonance 25 en fonction de la température dues à la fabrication pour un premier résonateur et un second résonateur utilisés dans un capteur selon l'invention ; la figure 3 illustre la dispersion en fréquence pour un ensemble de premiers résonateurs et un ensemble de seconds 30 résonateurs utilisés dans un capteur de température SAW obtenu selon le procédé de l'invention ; la figure 4 illustre deux substrats intermédiaires utilisés dans le procédé de fabrication collective de l'invention et comportant des directions de propagation des ondes de surface selon des 35 directions différentes ; 2907284 9 - la figure 5 illustre le rendement d 'appariement de couples de résonateurs utilisés dans l'invention, en fonction du nombre de pièces fabriquées ; - la figure 6 illustre l'appariement de deux résonateurs, selon 5 une première variante de l'invention dans laquelle les deux résonateurs sont assemblés dans un seul boîtier la figure 7 montre l'appariement de deux résonateurs, selon une seconde variante de l'invention dans laquelle les deux résonateurs sont assemblés dans deux boîtiers indépendants.According to a variant of the invention, the manufacturing method further comprises a preliminary temperature stabilization step of the first and second resonators. According to a variant of the invention, the resonators are made on a piezoelectric intermediate substrate that can typically be quartz, or any other material such as LiNbO 3, LiTaO 3, langasite and its variants, GaPO 4, lithium tetraborate, the KNbO3, finally generically any piezoelectric substrate likely to have compensated cuts and uncompensated effects to be measured. Advantageously, the manufacturing method of the invention makes it possible to develop temperature sensors which can be interrogated remotely. According to a variant of the invention, the first resonators are oriented on the first intermediate substrate in a first direction, the second resonators are oriented on the second intermediate substrate in a second direction, said directions corresponding to the directions of propagation of the surface waves. so that the first direction makes a non-zero angle with the second direction. An alternative solution is to use a different quartz cut and the same angle of propagation for each resonator. Finally, it is possible to use different sections and propagation directions in order to take advantage of the particular properties of certain orientations able to minimize the sensitivity of the thermal characteristics of the frequency to these geometrical parameters. The invention will be better understood and other advantages will become apparent on reading the description which follows given by way of non-limiting example and by virtue of the appended figures among which: FIG. 1 illustrates an example of a pair of resonators used in a sensor temperature according to the known art; FIG. 2 illustrates the resonance frequency versus temperature variations due to fabrication for a first resonator and a second resonator used in a sensor according to the invention; FIG. 3 illustrates the frequency dispersion for a set of first resonators and a set of second resonators used in a SAW temperature sensor obtained according to the method of the invention; FIG. 4 illustrates two intermediate substrates used in the collective manufacturing process of the invention and having propagation directions of the surface waves in different directions; FIG. 5 illustrates the pairing efficiency of resonator pairs used in the invention, as a function of the number of parts manufactured; FIG. 6 illustrates the pairing of two resonators, according to a first variant of the invention in which the two resonators are assembled in a single casing; FIG. 7 shows the pairing of two resonators, according to a second variant of FIG. invention in which the two resonators are assembled in two independent housings.
10 De manière générale, le procédé de fabrication selon l'invention utilise la dispersion naturelle de fabrication, de façon à apparier un premier résonateur réalisé sur un premier substrat intermédiaire avec un second résonateur réalisé sur un second substrat intermédiaire et ce de façon à 15 conserver une différence de fréquence constante entre les deux résonateurs. La figure 3 schématise des exemples de dispersion obtenus avec deux substrats intermédiaires sur lesquels ont été réalisés un ensemble de résonateurs. Plus précisément, FI et F2 étant les fréquences de résonance des 20 deux résonateurs, il existe deux distributions de fréquence associées à une certaine quantité de pièces fabriquées (NI pièces de premiers résonateurs RT1; et N2 pièces de seconds résonateurs RT2i). Chaque distribution est caractérisée par une valeur moyenne Fimoy et F2moy qui correspond au maximum de la distribution si on considère pour plus de simplicité une 25 distribution normale. Si les résonateurs RT1; et RT2~ sont fabriqués avec les mêmes caractéristiques technologiques respectivement sur des substrats intermédiaires RT1 et RT2, l'équation suivante est vérifiée : F2moy û F1moy = ÊFg (10) 30 Dans ce cas l'écart de fréquence moyen entre les deux distributions dépend uniquement de la différence entre les périodes de métallisation des deux résonateurs qui sont fixées par le dessin du masque. Cet écart est égal à l'écart de fréquence objectif LFg. L'étendue des distributions de fréquence F1 et F2 étant 35 sensiblement la même, il est alors possible d'apparier la quasi totalité des 2907284 10 premiers résonateurs de fréquence FI avec les seconds résonateurs de fréquence F2 de sorte que toute paire ainsi formée vérifie la relation suivante : (F2i-F1i) e [LFg-ô,AFg+6] (11) 5 et b représente la tolérance allouée sur l'écart de fréquence et est limité par la précision de la mesure électrique utilisée pour l'appariement. Une tolérance typique de b=5kHz est atteignable. Selon une première variante de l'invention, il est proposé 10 d'apparier, les deux types de résonateurs avant de procéder à l'assemblage dans un boîtier unique. Pour cela, des séries de deux résonateurs différents sont réalisées sur des substrats intermédiaires piézoélectriques Avantageusement, les puces de la première série et celles de la seconde 15 série présentent la même taille. Typiquement, les résonateurs peuvent être conçus avec un taux de métallisation, c'est à dire un rapport de la largeur d'électrode à la période de métallisation, optimisé de façon à ce que la fréquence de résonance ne dépende que de l'épaisseur de métal déposée et d'une façon non 20 significative des variations de la largeur d'électrode. Avantageusement on cherche à minimiser la sensibilité de la fréquence aux paramètres technologiques, soit le rapport de métallisation par période et le cas échéant l'épaisseur de métallisation. Pour le quartz coupe (YX/)/36 et une épaisseur de métallisation relative (définie comme le rapport de l'épaisseur de 25 l'électrode sur deux fois la période du réseau qui correspond ainsi à la longueur d'onde acoustique) comprise entre 1 et 5%, un rapport de métallisation compris entre 0,55 et 0,75 s'avère le plus avantageux en ce sens.In general, the manufacturing method according to the invention uses the natural production dispersion, so as to match a first resonator formed on a first intermediate substrate with a second resonator made on a second intermediate substrate and so as to retain a constant frequency difference between the two resonators. FIG. 3 schematizes examples of dispersion obtained with two intermediate substrates on which a set of resonators has been made. More precisely, since F1 and F2 are the resonant frequencies of the two resonators, there are two frequency distributions associated with a certain quantity of manufactured parts (NI parts of first resonators RT1 and N2 parts of second resonators RT2i). Each distribution is characterized by a mean value Fimoy and F2moy which corresponds to the maximum of the distribution if we consider for simplicity a normal distribution. If the resonators RT1; and RT2 ~ are manufactured with the same technological characteristics respectively on intermediate substrates RT1 and RT2, the following equation is verified: F2moy û F1moy = ÊFg (10) In this case the average frequency deviation between the two distributions depends only of the difference between the metallization periods of the two resonators which are fixed by the drawing of the mask. This difference is equal to the difference in objective frequency LFg. Since the range of the frequency distributions F1 and F2 is substantially the same, it is then possible to match almost all of the first ten frequency resonators F1 with the second frequency resonators F2 so that any pair thus formed satisfies the following relation: (F2i-F1i) e [LFg-6, AFg + 6] (11) and b represents the tolerance allocated to the frequency deviation and is limited by the accuracy of the electrical measurement used for the matching. A typical tolerance of b = 5kHz is achievable. According to a first variant of the invention, it is proposed to match the two types of resonators before proceeding to assembly in a single housing. For this purpose, series of two different resonators are produced on piezoelectric intermediate substrates. Advantageously, the chips of the first series and those of the second series have the same size. Typically, the resonators can be designed with a metallization ratio, ie a ratio of the electrode width to the metallization period, optimized so that the resonant frequency depends only on the thickness of the metal. deposited metal and in a non-significant way the variations of the electrode width. Advantageously, the aim is to minimize the sensitivity of the frequency to the technological parameters, namely the metallization ratio per period and, if appropriate, the metallization thickness. For the quartz cut (YX /) / 36 and a relative metallization thickness (defined as the ratio of the thickness of the electrode to twice the period of the network which corresponds to the acoustic wavelength) between 1 and 5%, a metallization ratio of between 0.55 and 0.75 is the most advantageous in this sense.
30 Selon cette première variante, on fabrique un lot typique de fabrication (par exemple 25 tranches) en utilisant les procédés standard de dépôt de couches métalliques et de photolithographie utilisés pour les résonateurs SAW. Les tranches de type SI et S2 sont fabriquées autant que faire se peut dans les mêmes conditions, et sont illustrées en figure 4, qui 35 met en évidence, la réalisation des deux types résonateurs. Chaque 2907284 11 résonateur présente une direction de propagation différente par rapport à l'axe X (axe horizontal sur la figure 4 perpendiculaire au méplat). Les traits correspondent aux frontières de chaque puce. Les tranches utilisées pour les deux types de résonateurs 5 proviennent en particulier du même bloc de quartz d'où sont extraits les tranches suite à une opération de découpe afin de minimiser les variations de fréquence liées aux tolérances sur les angles de coupe et de propagation. Le dépôt métallique pour réaliser les peignes d'électrodes pour les deux types de résonateurs est effectué dans le cadre du même lot de 10 fabrication (alternance de premiers substrats intermédiaires SI et de seconds S2). L'ensemble de ces conditions conduit à minimiser l'écart : F2moy û Fimoy - iFg Si l'on évalue le rendement d'appariement en fonction du nombre 15 de pièces fabriquées tel qu'illustré en figure 5, on constate que la courbe est asymptotique et que plus les nombres de pièces à apparier NI, N2 sont importants, plus le rendement attendu est élevé. On constate par ailleurs que plus la tolérance allouée sur l'écart de fréquence b est faible plus le rendement d'appariement est faible. Les 2 20 courbes de la figure 2 montrent un exemple d'appariement pour ô = a/100 et b = a /1000 où a est l'écart type des distributions de fréquence FI et F2 supposées gaussiennes. Cette constatation suggère d'augmenter le nombre de pièces à apparier au-delà de la taille d'un lot unique de fabrication et par conséquent 25 d'apparier des résonateurs de lots de fabrication différents. Dans le cadre des applications capteur sans calibrage, la tolérance allouée sur l'écart de fréquence b est très faible (de l'ordre de quelques kHz).According to this first variant, a typical batch of manufacture (eg slices) is manufactured using the standard metal layer deposition and photolithography methods used for the SAW resonators. The SI and S2 type slices are manufactured as much as possible under the same conditions, and are illustrated in FIG. 4, which highlights the realization of the two types of resonators. Each resonator has a different propagation direction with respect to the X axis (horizontal axis in Figure 4 perpendicular to the flat). The lines correspond to the boundaries of each chip. The wafers used for the two types of resonators originate in particular from the same quartz block from which the wafers are extracted following a cutting operation in order to minimize the frequency variations related to the tolerances on the cutting and propagation angles. The metal deposit for producing the electrode combs for the two types of resonators is performed within the same manufacturing batch (alternating first intermediate substrates SI and second S2). All of these conditions lead to minimizing the difference: F2moy û Fimoy - iFg If we evaluate the matching efficiency as a function of the number of parts manufactured as illustrated in FIG. 5, we see that the curve is asymptotic and that the more numbers of parts to be matched NI, N2 are important, the higher the expected yield is high. It is also noted that the more the tolerance allocated on the frequency difference b is small, the lower the matching efficiency is. The 2 curves in Fig. 2 show an example of pairing for δ = a / 100 and b = a / 1000 where a is the standard deviation of the assumed Gaussian IF and F2 frequency distributions. This finding suggests to increase the number of parts to be matched beyond the size of a single manufacturing batch and therefore to match resonators of different manufacturing batches. In the context of sensor applications without calibration, the tolerance allocated on the frequency difference b is very small (of the order of a few kHz).
30 Une différence de variation de quelques parties par million (ppm) entre les deux fréquences de résonance après appariement (vieillissement naturel de la puce, variations engendrées par l'assemblage,..) peut par conséquent compromettre le résultat de cet appariement.A difference in variation of a few parts per million (ppm) between the two resonance frequencies after pairing (natural aging of the chip, variations caused by the assembly, etc.) may therefore compromise the result of this pairing.
2907284 12 Il est donc judicieux d'effectuer l'appariement le plus tard possible dans la fabrication du composant et d'essayer de stabiliser autant que faire se peut le composant avant appariement. Dans le cadre de cette première variante de l'invention, les étapes 5 de fabrication sont avantageusement effectuées dans l'ordre suivant : la fabrication des tranches SI et S2 la découpe unitaire des puces correspondant à des résonateurs unitaires à partir desdites tranches la stabilisation des puces découpées par voie thermique 10 majoritairement basée sur un étuvage à température constante - l'appariement sur la base d'une mesure électrique sous pointes l'assemblage des paires dans un boîtier unique avec un procédé de collage normalisé et reproductible de façon à minimiser la dispersion de sensibilité (kHz/ C) 15 la fermeture du boîtier renfermant les paires de résonateurs - la stabilisation du composant final par voie thermique basée sur des phases de cyclage en température et d'étuvage à température constante.It is therefore wise to perform the matching as late as possible in the manufacture of the component and to try to stabilize as much as possible the component before pairing. In the context of this first variant of the invention, the manufacturing steps are advantageously carried out in the following order: the manufacture of the slices S1 and S2 the unitary die cutting of the chips corresponding to unit resonators from said slices the stabilization of the thermally cut chips 10 mainly based on constant temperature parboiling - the pairing on the basis of an electrical measurement under spikes the assembly of the pairs in a single housing with a standardized and reproducible bonding process so as to minimize the sensitivity dispersion (kHz / C) closure of the housing containing the pairs of resonators - stabilization of the final component thermally based on temperature cycling and constant temperature baking phases.
20 La figure 6 illustre cette première variante de l'invention, dans laquelle le procédé conduit à assembler des paires de résonateurs RT;1 et RTJ2 dans un même boîtier Bi-j. Selon une seconde variante de l'invention, il est également 25 proposé de procéder dans un premier temps à la réalisation de l'ensemble des puces unitaires, d'assembler chacune des puces dans un boîtier unitaire, puis de réaliser l'opération d'appariement. On obtient ainsi une série de couples de premier et second résonateurs. La figure 7 illustre cette seconde variante de l'invention dans 30 laquelle les résonateurs RT;1 et RTi2 sont appariés dans deux boîtiers différents BI; et B2i.FIG. 6 illustrates this first variant of the invention, in which the method leads to assembling pairs of resonators RT 1 and RTJ 2 in the same housing Bi-j. According to a second variant of the invention, it is also proposed to proceed in a first step to the realization of all the chips unit, to assemble each of the chips in a unitary housing, then to perform the operation of pairing. A series of pairs of first and second resonators is thus obtained. FIG. 7 illustrates this second variant of the invention in which the resonators RT; 1 and RTi 2 are paired in two different boxes BI; and B2i.
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